岩石硬度及塑性系数的测定 石工1014班 10021661 于利国(1).doc

中国石油大学（钻井工程）实验报告
实验日期：2013.10.9 成绩：
班级： 石工10-14班 学号： 10021661 姓名：于利国 教师:
同组者： 李永若 何旺达 刘子祎（13班）

岩石硬度及塑性系数的测定
一、实验目的
1．通过实验了解岩石的物理机械性质；
2．通过实验掌握岩石硬度和塑性系数的测量方法。
二、实验原理
利用手摇油泵将液压传给液缸，推动液压罐的活塞上升，使岩样与压模和位移传感器同时接触，随着压力的增加，压模将逐渐压入岩样，压入的深度由位移传感器测出，压力由载荷传感器测出，测出的数据自动存盘，再由u盘导入计算机中进行处理，计算出岩石硬度和塑性系数。
三、实验设备简介及使用
仪器示意图如图一：

图1 仪器示意图
仪器由函数纪录仪、载荷传感器、位移传感器和其主体组成，仪器主体包括手摇泵、液压罐、支柱、上板、下板、压模组成，并可固定载荷传感器、位移传感器及岩样，位移传感器的转换器固定在函数纪录仪的外罩上。
1、手摇泵 手摇泵容积为100ml，最大压强为20Mpa，主要由泵桶、丝杠、丝杠压帽、活塞、堵头、堵头压帽、手轮、手柄组成，其结构示意图如图二：

图2 手摇泵结构示意图
液压罐 液压罐的目的是将手摇泵施加的压力通过液缸内的液体推动活塞，带动岩心托盘上的岩样与压模接触、压裂，进而实现实验目的。液压罐主要由液缸、压帽、活塞、活塞压盘、垫块、岩心托盘组成。
2、压模 压模是由高强度钢制成胚体后镶入硬质合金压头，将硬质合金锥磨成柱体，压头直径d=2mm
3、支柱与上下板 支柱与上下板都有高强度钢制成，支柱的直径和上下板的厚度具有足够的强度满足实验的需求。
4、位移传感器、载荷传感器 载荷传感器固定在上板上。位移传感器固定在左支柱上，可上下移动。位移传感器用来测定压模压入岩样的深度，载荷传感器用来测定压模压碎岩样所用的力。
5、函数记录仪采用多通道液晶数显仪，可实时观看图形显示或数字显示，并具有记忆功能，可将实验的数据记录下来，用U盘导入计算机进行编辑。
四、实验步骤
1、岩样制备：将岩石切磨成正方(圆柱)体，其高度不小于50mm，被测量端面应加以研磨，使岩样平滑且相互平行(直径50mm的岩样两端面不平行度不应超过0．5mm)，岩样制备后应在低于1000C的烘箱中烘干2～2．5小时，然后放在干燥器内备用。
2、用读数显微镜测出压模压头的直径并记录下来，
3、打开记录仪开关，调擎零点：按菜单，选择输入，按设置，输入密码，选择零点修正。
4、将岩样置于硬度仪的岩心托盘上，摇动手摇泵，活塞慢慢上升，移动位移传感器，使岩样先与位移传感器接触，当纪录仪显示压力有变化时，说明岩样与压头已接触上，停止摇动手摇泵，此时记录下位移值和压力值，作为零点。
5、用手摇泵慢速均匀加载，直到岩样破碎(有响声)，则该点测 试完毕，卸压。
6、按设置键两次，出现报警界面，再按V键，根据提示插入U盘，导出数据(两个数据文件存入U盘，第一路数据是位移，盘，导出数据(两个数据文件存入U盘，第一路数据是位移，第二路数据是载荷)按菜单键返回，拔除U盘；
7、移动岩样，使第一点的破碎坑与第二点相距大于lOmm，按3～6操作方法，测试第二点，每块岩样做2～3次。
五、实验结果
1、在计算机上进行数据编辑。U盘上的数据可通过专用软件打开，具体操作如下：
①将U盘上的数据分系软件打开，选择setup．oxe安装数据处理系统(按提示进行安装)，安装完毕后，双击桌面上的“JLFXl00"图标；
②点击“文件)打开”，选择所需的文件即可进入“曲线分析” 窗口；横轴为时间，纵轴为位移传感器(或载荷传感器)数据。
③点击“数据报表”弹出一窗体，输入“开始时间”和“结束时间”，“取样间隔”点击“开始生成报表(按准确时间)”
④把生成的数据拷贝到Excel进行处理，在Excel文档中进行编辑时，先逐个选中通道1数据中的序列号，在编辑栏将列号和时间删除，只留下数据，同样将通道2中的数据进行处理，处理后的数据只剩下位移和载荷，通道1记录的是位移数据。如果载荷数据开始变化时，相应位移数据不在零点，需减去该值。
得到原始数据及曲线如下所示：

载荷/kg
吃入深度/mm
载荷与吃入深度曲线

data01
data02
0.931
3
0.994
3
1.039
9
1.042
13
1.047
18
1.051
23
1.056
29
1.059
37
1.067
48
1.075
60
1.078
67
1.08
71
1.089
90
1.098
106
1.107
125
1.116
137
1.122
154
1.139
181
1152
215
1.17
247
1.187
277
1.212
334
1.258
393
1.288
441
1.309
446
1.443
214
1.634
221
1.643
215

六、数据处理
1、由于载荷数据开始变化时，相应位移数据不在零点，需减去该值：2.45；并且载荷初始值不为0，应减去初始值：-3。处理后如下表所示：
表1 位移载荷关系数据记录表
吃入深度/mm
0
0.931
0.994
1.039
1.042
1.047
1.051
1.056
1.059
1.067
1.075
1.078
1.08
1.089
1.098
载荷/kg
0
3
3
9
13
18
23
29
37
48
60
67
71
90
106
吃入深度/mm
1.107
1.116
1.122
1.139
1.152
1.17
1.187
1.212
1.258
1.288
1.309
1.443
1.634
1,643

载荷/kg
125
137
154
181
215
247
277
334
393
441
446
214
221
215

2、

PoY
Pmax

3、根据每点所做出的曲线求出硬度;
由上图可知 又有
则有Py=Pmax/S=580x9.8/3.14=1810.2Mpa
查表得岩样硬度级别为6，中硬。
4、求塑性系数

根据网格面积法，求得
面积OABC=522格，
面积OED=405 格，
由上图可计算得=522/405=1.29
查表得岩样塑性级别为2，为低塑性的塑脆性岩石。
5、求屈服极限,
由图可知,则Py=Poy/S=380*9.8/3.14=1186.00Mpa
七、实验结果
表2实验结果表
硬度
屈服极限/MPa
塑性系数
硬度级别
塑性级别
1810.2
1186.00
1.29
6，中硬
2，低塑性

八、思考题
1、为什么必须保持岩样两端面平行？
答：如果被测岩样两端不平行时，对岩样施加压力时除产生压应力外，还产生剪切应力，使实验结果不准确。
2、画出的曲线不规则是什么原因？
答：这是因为岩石具有不均质性，岩样各部分的材料强度不相同，实验点分布不均匀。并且在实验过程中，手摇泵没有均匀加载，产生动载荷效应，影响实验数据的准确性，使画出的曲线不规则。
3、在塑性岩石中，岩心没有明显的破碎点，如何求它的硬度?
答：对于塑脆性岩石，在计算中我们通过用屈服极限代替硬度的表示来求硬度。

九、实验总结
通过本次实验我了解了岩石的机械物理性质，掌握了岩石硬度和塑性系数的测量方法，实验过程比较简单，但是要细心。压入岩石的载荷突然减小后要沿原方向旋转几周，然后反时针旋转快速退出，同时压入时要慢且匀速旋动转盘。
我建议把手摇泵做成电脑控制的，与载荷传感器和位移传感器均有同一个软件系统控制，可以保证旋转均匀，减小误差。
感谢老师的悉心指导。